全球每年生产超过4亿吨塑料，其中90%依赖石油化工，不仅加剧气候危机，更导致严重的塑料污染。为破解这一困局，科学家正转向生物制造技术。

在众多生物基聚合物中，聚酯酰胺（PEAs）因其独特的性能而备受关注。PEAs既具有聚酯的优良热性能和机械性能，又具备聚酰胺的生物相容性和可降解性，因此在生物医学和工业领域具有广泛的应用前景。然而，尽管PEAs具有如此多的优点，但其生物合成途径尚未明确，微生物生产PEAs的研究也相对较少。

【SynBioCon】获悉，近日，中国工程院外籍院士、韩国科学技术院（KAIST）的李相烨（Sang Yup Lee）研究团队在《Nature Chemical Biology》发表突破性成果，成功通过基因工程改造大肠杆菌，首次实现了聚酯酰胺（PEAs）的生物合成。这种新型生物塑料兼具聚酯的生物相容性和聚酰胺的高强度特性，为替代传统石油基塑料提供了可持续解决方案。相关研究成果，2025年3月17日，于Nature Chemical Biology在线发表题为“Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli”。

创新点

1、新型代谢途径的构建：本研究首次在工程化的大肠杆菌中构建了一种自然界中不存在的新型代谢途径，用于生物合成聚酯酰胺（PEAs）。通过引入β-丙氨酸CoA转移酶（Act）和聚羟基脂肪酸酯合酶（PhaC），成功实现了氨基酸单体的聚合，扩展了微生物合成聚合物的范围。这一创新为可持续生物基聚合物的生产提供了新的途径，减少了对石油基塑料的依赖。

2、多氨基酸单体的共聚：研究展示了通过代谢工程手段，能够在大肠杆菌中实现多种氨基酸单体的共聚，包括非天然氨基酸。通过优化培养条件和蛋白质工程，成功提高了氨基酸单体在PEAs中的比例，并展示了组合共聚的潜力。这一创新为设计和生产具有特定性能和功能的多功能聚合物提供了新的可能性。

3、材料性能的优化与表征：研究详细表征了生物合成的PEAs的物理、热学和机械性能，发现随着氨基酸单体比例的增加，聚合物的熔点和结晶度降低，而断裂伸长率显著提高。通过蛋白质工程和培养条件优化，进一步提高了聚合物的分子量和性能。这一创新为开发高性能生物基塑料，如替代高密度聚乙烯，提供了重要的实验依据和技术支持。

设计PEAs的生物合成途径

为了在大肠杆菌中实现PEAs的生物合成，研究人员设计了一条新的代谢途径，将氨基酸和羟基酸共聚。他们选择了 Clostridium propionicum 的 β-丙氨酸 CoA 转移酶 (Act) 作为初始激活步骤的酶，因为它对多种氨基酸具有广泛的底物适应性。对于聚合步骤，研究人员测试了多种聚羟基脂肪酸合成酶 (PhaC)，最终选择了一种经过改造的 Pseudomonas sp. MBEL 6-19 的 PhaC (PhaC1437Ps6-19)，因为它具有更广泛的底物适应性，能够聚合多种底物。

2.2 验证PEAs的生物合成

研究人员构建了大肠杆菌 PEA01 菌株，通过在 MR 培养基中添加不同的氨基酸和钠 (RS)-3HB，成功合成了多种PEAs。他们发现，当添加3AP和4AB时，PEA01菌株能够分别合成含有0.17%和0.22%氨基酸单体的PEAs。此外，研究人员还发现，即使在不添加act基因的PEA00对照菌株中，也能检测到少量的3AP和4AB单体，这可能是由于宿主细胞中存在内源性酶能够生成相应的CoA衍生物。

2.3 PEA生物合成系统的可扩展性

为了进一步扩展PEA生物合成系统的可扩展性，研究人员选择了八种氨基酸作为潜在的聚合化候选者。通过体外酶活性测定和体内聚合实验，他们发现Act能够激活 (RS)-3AB、3AIB和 (RS)-3AV，并成功将其聚合到PEAs中。此外，研究人员还探索了多种氨基酸作为单体共聚PEA的可能性，结果表明PEA生物合成系统能够以组合方式共聚多种氨基酸单体。

2.4 Act的广泛底物适应性

研究人员发现Act不仅对氨基酸具有广泛的底物适应性，还能够将多种羟基酸和羧酸转化为相应的CoA衍生物。然而，Act对二元羧酸没有活性。这一特性为PEA生物合成途径的理解提供了新的视角，也表明通过代谢工程可以进一步优化PEA的生产。

2.5 PEAs的从头生产

为了实现PEAs的可再生生产，研究人员探索了仅使用葡萄糖作为碳源的生产方式。他们通过引入额外的生物合成途径，成功地在大肠杆菌中实现了从头合成PEAs。例如，通过引入 (S)-天冬氨酸α-脱羧酶 (PanDCgl) 和工程化的 (S)-谷氨酸脱羧酶 (GadBmut)，分别提高了3AP和4AB的生物合成通量，从而成功生产出含有相应氨基酸单体的PEAs。

2.6 PEAs的放大生产

为了评估PEA生产菌株从摇瓶到大型生物反应器的生产性能，研究人员进行了补料分批发酵实验。结果表明，PEA06菌株在6.6L生物反应器中能够高效生产PEAs，产量显著提高，且3AP单体分数也有所增加。这一结果表明PEA生产可以成功放大，并具有更高的生产效率。

2.7 提高3AP单体分数

尽管已经实现了PEAs的生物合成，但氨基酸单体的分数相对较低。为了提高3AP单体在PEA中的分数，研究人员通过优化摇瓶培养条件和理性蛋白质工程，成功将3AP单体分数从0.28%提高到4.45%。他们发现，通过改变培养基类型、增加3AP添加浓度和降低钠 (RS)-3HB添加浓度，可以显著提高3AP单体分数。此外，通过对PhaC1437Ps6-19进行理性改造，进一步提高了其对3AP-CoA的活性，从而增加了3AP单体的掺入。

2.8 PEAs的物理性能表征

研究人员对合成的PEAs进行了全面的物理性能表征，包括分子量、热性能和机械性能。他们发现，随着3AP单体分数的增加，PEAs的分子量呈现一定的变化趋势。不同PhaC合成的PEAs也表现出不同的分子量分布。在热性能方面，随着3AP单体分数的增加，PEAs的熔点降低，玻璃化转变温度和冷结晶温度升高。在机械性能方面，与聚酯类似物相比，PEAs表现出更高的断裂伸长率，这可能与其较低的结晶度有关。

李相烨（Sang Yup Lee），1964年4月出生于韩国，中国工程院外籍院士，韩国国家科学与工程院院士，美国国家工程院外籍院士，美国国家科学院外籍院士，英国皇家科学院外籍院士，韩国科学技术院（KAIST）资深教授。

李相烨致力于代谢工程、蛋白质工程、生物高分子材料、DNA芯片、蛋白质组学、基因组学以及生物信息学等新兴学科的研究。2023年当选中国工程院外籍院士。

李相烨在包括Nature、Nature Catalysis、Nature Biotechnol.、Nature Protoc.、Nature Chem. Biol.、Nature Comm.、Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Edit.、PNAS等在内的期刊发表SCI论文600余篇，论文他引3万多次；出版著作82部。是Metab. Eng.、Biotechnol. Bioeng.、ACS Synth. Biol.、Appl. Environ. Microb.等17种peer review期刊的主编、副主编或编委。曾获“韩国总统最佳年轻科学家奖”“韩国国家勋章奖”“Elmer Gaden奖”“默克代谢工程奖”等多项重要奖项。

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参考信息：

https://doi.org/10.1038/s41589-025-01842-2

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